南方科技大学曾玉强课题组Nature Communications：基于热导率传感器的商业电池衰减监测

2023-12-15 科研聚焦 浏览量：5769

近日，南方科技大学深港微电子学院曾玉强课题组在电池传感领域取得新进展。相关成果以“Nonintrusive thermal-wave sensor for operando quantification of degradation in commercial batteries”为题发表在国际期刊Nature Communications。曾玉强助理教授是该论文的第一作者，南方科技大学深港微电子学院为第一单位.

锂离子电池是手机、电动汽车等产品的核心储能器件。特定运行工况（如极端温度和倍率）容易造成电池的过早衰减和热安全问题。深入理解真实世界的电池衰减是提升实际应用中电池寿命、安全性及可靠性的关键，依赖于先进的电池传感技术。多种传感信号已被用于电池监测，如温度、压力、电化学、声学及光学等，然而，大多数现有传感技术具有复杂、嵌入式和定性的特点，难以用于长期获取商业电池的定量衰减信息。

图1非嵌入式热导率传感器用于电池衰减的无损监测 

图2电池热导率与电解液消耗量和锂沉积量之间的定量关系 

本质上，电池传感受限于所采取的监测信号类型。在这一研究中，研究团队利用了电池热导率对电池结构变化的强依赖性，首度将其作为电池衰减的定量指标。根据研究团队建立的电池热导率模型（图1），电池的两种主要衰减机制对于其热导率有着相反的影响：析锂会降低负极颗粒与隔膜之间的紧缩热阻而提高电池热导率，电解液消耗则会降低流体部分的有效热导率而降低电池热导率。通过一系列标定实验（图2），研究团队验证了这一定量模型的准确性。

图3测量方案和数据分析流程

图4快充过程中电池衰减的定量监测

在此基础上，研究团队开发了基于贴片式热导率传感器的测量方案（图3），用于电池衰减的非嵌入式监测和定量评估。概念验证研究表明（图4），研究团队的方法可以定量区分锂沉积以及与副反应和锂沉积相关的电解液消耗。因此，该研究工作所开发的热传感方法具有简单、非嵌入式和可量化的特点，能够实时监测真实世界的电池衰减，并且准确量化不同的衰减源，为基于非嵌入式热导率传感器的电池衰减定量评估打开了大门。

原文链接https://www.nature.com/articles/s41467-023-43808-9